南水北調中線工程從加壩擴容後的丹江口水庫陶岔渠首閘引水，沿規劃線路開挖渠道輸水，沿唐白河流域西側過長江流域與淮河流域的分水嶺方城埡口後，經黃淮海平原西部邊緣在鄭州以西孤柏嘴處穿過黃河，繼續沿京廣鐵路西側北上，可基本自流到北京、天津。南水北調中線主體工程由水源區工程和輸水工程兩大部分組成。水源區工程為丹江口水利樞紐後期續建和漢江中下遊補償工程；輸水工程即引漢總幹渠和天津幹渠。
在丹江口水庫後期規模完建，正常蓄水位170米的條件下，考慮2020年發展水平在漢江中下遊適當做些補償工程，保證調出區工農業發展、航運及環境用水後，中線工程多年平均可調出水量141.4億立方米，一般枯水年（保證率75%），可調出水量約110億立方米。供水範圍主要是唐白河平原和黃淮海平原的西中部，供水區總麵積約15.5萬平方千米。因引漢水量有限，不能滿足規劃供水區內的需水要求，隻能以供京、津、冀、豫、鄂五省市的城市生活和工業用水為主，兼顧部分地區農業及其他用水。中線工程可緩解京、津等華北地區水資源危機，並大大改善供水區生態環境和投資環境，推動中部地區的經濟發展。
南水北調中線工程分兩期實施。第一期工程以解決沿線主要城市供水為目標，從長江支流漢江上的丹江口水庫引水，沿伏牛山和太行山山前平原開渠輸水，終點北京。工程包括：丹江口大壩加高，分期分批安置移民，每年調水量達95億立方米，漢江中下遊補償項目和局部航道整治等。規劃2003～2010年實施。
按照南水北調中線一期工程可行性研究總報告批複，中線一期工程靜態投資1435億元，其中主體工程投資1365億元，配套工程投資70億元。目前，根據南水北調工程建設委員會確定的最新目標，中線一期工程2013年主體工程完工，2014年汛後通水。
二期工程在一期工程完工後開始建設，規劃在一期工程主渠道旁開挖一條輸水渠道，供農業生產用水，總調水量達到130億立方米左右。規劃2011～2030年實施，主體工程投資244億元。中線主體工程投資總計1161億元。
第三節 西線布局
南水北調西線工程的主要特點是調水量直接進入黃河，由於其高程高、覆蓋麵積大，加上黃河上遊有足夠的調節能力，所調入的水量與黃河上遊原有水量進行統一調度，優化配置，從而以緩解黃河流域及其鄰近地區缺水的矛盾。西線工程的難點是地形、地質條件複雜，工程十分艱巨，在高寒地區施工和管理的難度很大。同時，由於西線是調水進入黃河幹流河道，而並非直接送到受水區，因此水量的經濟效益分析和水價計算十分困難。
南水北調西線工程在長江上遊大渡河、雅礱江、通天河上築壩建水庫，通過隧洞引水穿過巴顏喀拉山，向黃河上遊補水。巴顏喀拉山南側長江上遊各引水河段的水麵高程比黃河的水位低80～450米。在大渡河、雅礱江、通天河上調水，需要修建150～300米的高壩和開鑿30～289千米的超長隧洞，穿過長江與黃河的分水嶺。西線工程的可調水量與引水壩址的位置有關，壩址越往下遊，海拔越低，水量越大，而離黃河越遠，工程規模越大。經研究，大渡河在海拔2900米附近，雅礱江、通天河在海拔3500～3600米，三條河的徑流總量約221億立方米。初步規劃三條河年平均可調水量為120億～170億立方米，其中大渡河30億～50億立方米，雅礱江35億～40億立方米，通天河為55億～80億立方米。
南水北調西線工程的供水目標，主要是解決涉及青海、甘肅、寧夏、內蒙古、陝西、山西等六省（區）黃河上中遊地區和渭河關中平原的缺水問題。同時，隨著我國經濟建設重心向中西部地區轉移，黃河上中遊流域水資源的開發利用、水土保持生態環境建設步伐的加快和集雨工程的發展，勢必減少入黃河幹流的水量。西線工程除補充這部分水量外，還可解決幹流揚黃、自流引黃、黃河衝沙輸沙和生態環境用水。因此，西線工程的重點是補水幹流，解放支流，可以基本解決黃河流域的缺水矛盾。此外，還可結合在黃河上計劃興建的大柳樹水庫的調節作用，抬高黃河水位，向河西走廊供水。
南水北調西線工程規劃按三期建設。第一期工程調水40億立方米，規劃2020年完成，主體工程投資469億元。調水量主要優先供給工業、生活以及區域生態環境建設的需水。第二期工程調水50億立方米，規劃2030年完成，主體工程投資641億元，至此對黃河水量和西線調水量已有足夠的調節能力。第三期工程調水80億立方米，規劃2050年完成，主體工程投資1930億元。西線各期工程主體工程總投資達3040億元。